2024-01-30 14:08:51, 叶涛
等效运输试验浅析
仪器设备在日常使用、运输、搬运中都会面临各种机械振动应力,即便是在恒温、恒湿、无振动条件下使用的仪器设备也避免不了在运输等情况下受到振动冲击的影响。为了保证产品的开箱合格率很多厂商对产品的机械结构进行了强化设计。验证这些设计的有效性需要通过运输、碰撞、跌落、翻滚和冲击等试验来验证。本文根据GJB150.16A中对运输振动的要求和疲劳等价关系进行分析,初步探讨等效运输试验如何通过随机振动模拟产品的运输环境、加速运输振动的应力和振动时间的计算。
一、运输振动验证方法
在产品开发中,结构防护一直是结构工程师关注的重点。困扰他们的是:即便有设计良好的产品结构与减震设计的包装箱,在长时间的运输振动下也会出现某些部位的疲劳断裂。目前验证产品的运输振动疲劳失效的试验方法有三种:
1)开展实际工况的跑车试验;
2)建立产品结构或其关键部位的三维模型,并通过有限元仿真分析计算其运输振动疲劳寿命;
3)通过振动模拟试验验证其疲劳寿命。
实际的跑车试验浪费人力、财力和物力,验证寿命较短的可以考虑开展,虽然这种试验方式的结果比较准确但是不利于生产实际。建立的三维模型与产品实际加工存在一定偏差,很多材料在热加工中内部晶格也会发生变化,所以三维模型仿真分析的准确性比较差。模拟运输振动试验有大量的试验数据作为支撑并且可以有效降低试验成本,因此被普遍采取。
二、等效运输振动试验
那么进行模拟公路运输振动试验时,振动应力如何选取?振动多长时间等效多少里程呢?下面我们分两种情况说明一下:
1. 运输环境条件与等效应力
一般公路运输以卡车、普通货车为主。我国路况也比较好,高速公路路网发达,县市一级目的地一般都可以全程高速公路抵达。根据GJB150.16A-2009《军用装备环境试验方法 第16部分:振动试验》中A2.2.2.5中对运输试验振动暴露时间的要求:高速公路上的卡车运输:普通货车、卡车的振动暴露持续时间每1600km的公路运输为60min每轴向,高速公路卡车运输振动条件参见图1。
图1 高速公路卡车振动环境条件(引自GJB150.16A-2009)
2. 加速运输振动应力的计算
上述等效运输振动试验考核1600km的寿命需要进行每个方向各60min的试验。如果验证更长里程的运输振动寿命则需要很长时间,比如验证8000km的运输振动寿命需要15h的时间。对于车载移动设备其寿命周期的公路运输寿命可能长达几十万公里。也可以考虑采用加速运输模拟振动试验方法来进行此类寿命验证。
产品结构损伤大部分与结构材料的疲劳寿命有关GJB150.16A-2009中B.2.2对于疲劳关系的等效关系式(B1),如下图2引用原文:
图2 疲劳等价关系(引自GJB150.16A-2009)
可以把运输试验等效为随机振动,随机振动再根据疲劳关系进行适当加速。指数取值范围是从1/2~1/6.6,仪器设备整机折中取1/4。因为对于公路运输振动试验实际上不分航天、航空等产品,它们的运输条件实际都一样。
例:当仪器设备整机产品验证公路运输8000km,需要三个方向按照图1的谱形振动5h。使用公式B.1进行加速试验,假设随机振动加速度谱密度增加到二倍。
此时仪器设备整机三个方向分别进行19min二倍加速度谱密度的随机振动试验可以等效整机产品8000km高速公路卡车运输试验。如果谱密度加大到三倍,则计算得出的振动时间仅为3.7min。
为了不改变产品的失效机理,加速度谱密度不宜加的太大,况且在三倍谱密度的情况下加速系数已经达到81倍了。因此建议不要过度追求高加速系数来压缩试验时间,加速应力计算后控制每方向的振动时间在(10~30min)为宜。
三、总结
运输振动试验应力是各种复杂机械振动下的综合应力,通过模拟试验可以简化验证工作、减少验证时间。等效运输振动试验虽然有一定局限性,但是这些试验条件是对以往各类产品做了大量实验总结出的结果,涵盖了大部分常见频率上的应力的考核。等效运输振动试验目前在军工和民用领域也是广泛被采用的试验方法。
综上是我们对等效运输振动试验的浅薄理解,欢迎各界朋友批评指正。
参考文献:
GJB150.16A-2009《军用装备环境试验方法 第16部分:振动试验》
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